Физики получили детальное изображение ядра внутри атома

Публикация: 24.01.2023
Источник Комментарии

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) – отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось – недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

Первое изображение атома

Атомы настолько малы, что увидеть их невооруженным глазом, даже с помощью самого мощного микроскопа, невозможно. По крайней мере так было до 2009 года, пока физики не сфотографировали атом и окружающие его электроны. На снимках, опубликованных в журнале Physical Review B, показаны подробные изображения электронного облака одиночного атома углерода.

Отметим, что это первый случай, когда ученым удалось непосредственно наблюдать внутреннюю структуру атома. До этого, начиная с 1980-х годов, физики отображали атомную структуру материала с помощью математики и методов визуализации.


Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов.

Часть проблемы заключалась в том, что согласно принципам квантовой механики электрон не существует как отдельная точка, которую можно увидеть – он распространяется вокруг ядра в облаке под названием орбиталь. Нежно-голубые сферы и расщепленные облака на изображении показывают два расположения электронов на орбиталях в атоме углерода. Эти структуры подтверждают ранние выводы ученых, так как соответствуют установленным принципам квантовой механики.

Больше по теме: Ученые наблюдали новый вид квантовой запутанности внутри атомных ядер

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.


Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Подробнее о том, как птихография позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях и в каких еще областях науки можно применить эту технологию можно прочитать здесь.

Изображение ядра внутри атома

Итак, вот мы и подобрались к последнему по-настоящему поразительному открытию. На этот раз инструментом физиков стал не электронный микроскоп а релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), в основе работы которого лежит принцип квантовой запутанности.

Напомним, что квантовой запутанностью называется связь двух (и более) частиц, свойства которых остаются одинаковыми вне зависимости от того, как далеко эти частицы находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн, кстати, называл запутанность «сверхъестественной».


RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) — релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) – ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (золота, медь, уран и др.) на релятивистских скоростях. Как объясняют авторы изображения, принцип работы коллайдера напоминает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая позволяет увидеть что происходит внутри мозга и других органов.

Читайте также: Главные научные открытия 2022 года по версии Hi-News.ru

Благодаря новому методу, физики смогли получить представление о внутреннем строении атомов, а также стать свидетелями нового типа квантовой запутанности. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике – в ходе эксперимента ученые наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера RHIC и в результате заглянули внутрь атомных ядер.

Как увидеть атом?

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» – π+ и π-. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.


Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят.

Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Но вот что особенно важно – и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами.

Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.


Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой

Не пропустите: Мир в суперпозиции: три теории параллельных вселенных

К счастью, будущие эксперименты на RHIC (а также других коллайдерах и еще более мощных инструментах), позволят физикам не только детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер, но лучше понять сложно и таинственное устройство Вселенной. Больше о том, могут ли частицы появляться из ничего мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.


Атомы Квантовая запутанность Квантовая физика

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

LongReef Team Автор статьи: LongReef Team
27
Нет Комментариев.
Но, вы можете быть первыми кто его оставит

Авторизуйся что бы оставить свой коммент...

Интресное

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) наблюдали новый вид квантовой запутанности....
Физики впервые наблюдали, как свет движется одновременно вперед и назад во времени. Это открытие в...
Физики создали уникальную модель Вселенной, охладив атомы калия и управляя ими в лабораторных...
Нобелевская премия по физике 2022 года присуждена за исследования в области квантовой механики за...
Вокруг только и разговоров, что о Новой физике. Недавно исследователи обнаружили новые элементарные...
Существует ли время? И при чем тут кризис современной физики? Обсуждаем самые невероятные теории и...
Одна из наиболее многообещающих попыток объяснить гравитацию – это попытка взглянуть на нее иначе,...
По мнению некоторых физиков в ближайшее десятилетие открытия в области квантовых технологий...

Популярные Статьи

Ученые обнаружили два новых вида приматов, которые жили в теплой Арктике 52 миллиона лет назад....
Некоторые виды хищных растений кувшиночников в ходе эволюции изменили свой рацион, и стали питаться...
Магазины одежды могут быть рассадниками кожных заболеваний.
Вдохновленный наукой постапокалиптический сериал The Last of Us ("Одни из нас") бьет...
Ученые нашли в одном из некрополей Саккары свиток длинной 16 метров, который содержит тексты...
Ученые смогли обучить муравье выявлять рак в моче по запаху. По мнению авторов, этих насекомых...
Сколько нужно времени, чтобы стать самым богатым человеком в мире? Когда люди впервые превысили...
Джефф Дейб — человек с самыми большими руками в мире.
Ученые обнаружили, что климатические модели не учитывают количество пыли в земной атмосфере. Почему...
С-22 "Илья Муромец" - первый в мире пассажирский самолет, созданный в 1913 году. Машина,...
Компания NuScale Power разработала модульный мини-реактор мощностью 50 мегаватт, который смогут...
Мыть волосы с шампунем каждый день нельзя — они станут сухими и ломкими.
Занятия спортом улучшают когнитивные функции мозга, замедляют его старение, а также предотвращают...
Команда астрономов обнаружила астероид, обладающий наименьшим известным периодом обращения вокруг...
Ученые придумали новый, более эффективный способ диагностики рака, который позволяет выявлять...
Как выглядит фотография обратной стороны Луны 1959 года? Почему черепаха не способна выжить без...
Многие люди не могут пить молоко из-за аллергии к белкам коровьего молока, но с развитием генной...
Ученые выяснили, что в Великой Китайской стене имеются секретные ходы, которые могли использоваться...
Многие люди сталкиваются с таким состоянием, как глазной тик. Чаще всего он никакой опасности не...
Здоровому взрослому человеку для полноценного сна требуется не менее 7-9 часов, но некоторые...
Некоторые люди уверены, что видели призраков — обычно это происходило ночью. Ученые выяснили, какие...
Впервые возможности искусственного интеллекта в области фармакологии были продемонстрированы миру...
У наших далеких предков не возникало никаких проблем с зубами мудрости, так как они позволяли...
Ученые нашли способ как добывать большое количество пресной воды с минимальными затратами....
Некоторые дома в Гонконге имеют большое отверстие посередине.
Генно-модифицированные бактерии могут помочь в борьбе со многими супербактериями. Ученым уже...
Один литр самого дорогого яда в мире стоит около 10 миллионов долларов. ☠ Как его добывают, для...
Британские ученые предлагают отказаться от пшеничного хлеба, особенно белого, так как это вредный...
Головоногие моллюски, такие как кальмары и осьминоги, уже долгое время поражают биологов своим...
Команда ученых разработала лазерный молниеотвод, представляющий собой лазерный луч, который...
Некоторые "больничные бактерии" заражают пациентов при выполнении медицинских манипуляций...
Некоторые люди страдают от гигантизма — мозг вырабатывает много гормона роста и они становятся...
Ученые рассказали о новой серьезной опасности, которая может поджидать людей при плавании в...
Головной убор древней шаманки из Германии, церковь на склоне горы в Африке, серебряный кинжал...
Прокрастинация свойственна каждому человеку, но в пределах разумного. Чрезмерная же прокрастинация...
Люди умели создавать анимированные картинки более 5000 лет назад, о чем говорит кубок, обнаруженный...
Ученые давно фиксируют гибель пчел и шмелей во всем мире. По одной из версий в этом виновато...
Недавнее исследование показало, что отказ даже от одного из трех приемов пищи в течение дня...
Сразу две группы ученых сообщили, что им удалось искусственно управлять процессом старения. Одна...
В Японии сняли на видео гигантского кальмара длиной более двух метров.
Пик научного развития пройден: почему прорывных открытий становится меньше с каждым годом и с чем...
По анализу ДНК ученые открыли новый вид гигантской черепахи, которая 1000 лет назад жила на...
Людям рекомендуется регулярно принимать душ, чтобы смывать с себя аллергены и прочую грязь.
Недавнее исследование ученых показало, что сильные запахи полностью отключают нейроны обоняния. Это...
Ученые давно замечали, что домашние животные положительно влияют на здоровье человека, особенно...
В Россию пришел новый вариант коронавируса под названием "Кракен". Разбираемся откуда он...
Есть ли у вас вредные привычки от которых вы хотите избавиться? Недавно ученые предложили новый...
Рвота кашалота, также известная как амбра, может стоить миллионы долларов.
Динозавры предположительно были глупыми животными. Однако известно что у птиц, потомков тероподов,...
Долгое время ученые спорили относительно существования зимних гроз. В последние десятилетия это...
Результаты нового исследования показали, что Интернет и социальные сети меняют работу мозга у людей...
Новое исследование показало, что календарь майя почти на 1000 лет старше, чем предполагалось ранее....
Ответ на вопрос «когда люди научились писать» всегда находился перед глазами ученых — первые...
В 1881 году была придумана конструкция тюрьмы, из которой невозможно сбежать. Несколько раз в день...
Ученые обнаружили окаменелости неизвестной ранее птицы возрастом 120 миллионов лет. Она имела...
Для некоторых людей заработок денег — многочасовой и упорный труд.
Сладкие продукты вызывают сильную зависимость, подобную алкоголю и сигаретам. Однако ученые до сих...
Исследования показывают, что около 50% людей укачивает в автомобилях, то есть они испытывают на...
Каннибализм оказался вовсе не противоестественным явлением в животном мире, как считалось ранее. За...
Ученые нашли очередное подтверждение тому, что Марс когда-то был покрыт водой. Причем она...